DE19955573A1

DE19955573A1 - Positionsmeßvorrichtung zur Erfassung absoluter und relativer Winkel und Wege

Info

Publication number: DE19955573A1
Application number: DE1999155573
Authority: DE
Inventors: Guenter Schmitz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-11-18
Filing date: 1999-11-18
Publication date: 2001-05-23

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Positionsmeßvorrichtung für absolute und relative Winkel- oder Wegmessungen mit wenigstens einem exzentrisch plazierten Magneten zur Erzeugung eines besonders homogenen magnetischen Flusses sowie einem Sensor, der die Richtung des magnetischen Flusses detektieren kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Positionsmeßvorrichtung für abso lute und relative Winkel- oder Wegmessungen mit wenigstens ei nem exzentrisch plazierten Magneten zur Erzeugung eines beson ders homogenen magnetischen Flusses sowie einem Sensor, der die Richtung des magnetischen Flusses detektieren kann. Eine solche Positionsmeßvorrichtung kann für die Bestimmung einer Drosselklappenposition an Verbrennungsmotoren angewendet wer den.

Derartige Meßvorrichtungen sind beispielsweise aus DE 196 53 047 A1, der DE 41 41 000 A1 sowie aus der US 5,889,400 be kannt. Problematisch sind bei diesen Verfahren jedoch die äu ßeren Störeinflüsse, die das Meßsignal durch elektrische bzw. magnetische Felder verfälschen können. Auch Fertigungstoleran zen, die einen Einfluß auf den sich ergebenden magnetischen Fluß haben, bewirken eine Verfälschung des Sensorausgangs signals.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Positi onsmeßvorrichtung für absolute und relative Positionsmessungen zu schaffen, deren Empfindlichkeit gegenüber äußeren Einflüs sen sowie Toleranzen und Verschleiß unempfindlich ist.

Dieses Problem wird gelöst, indem wenigstens ein exzentrisch plazierter Magnet einen magnetischen Fluß erzeugt, dessen Aus richtung mit einem relativ zu dem Magneten beweglichen Sensor detektiert werden kann, wobei das Ausgangssignal des Sensors im wesentlichen nur von der Richtung und nicht abhängig von der Höhe des magnetischen Flusses ist und durch die Anordnung des bzw. der Magneten ein besonders homogenes Feld erzeugt wird.

Der Vorteil der Erfindung beruht dabei auf der Unabhängigkeit des Ausgangssignal des Sensors von der Höhe des Magnetfeldes sowie der Homogenität des Magnetfeldes im Bereich des Sensors. Fertigungstoleranzen und Toleranzen in den magnetischen Eigen schaften des Magnetwerkstoffes wirken sich somit nicht auf das Ausgangssignal des Sensors aus. Die exzentrische Anordnung des Magneten ermöglicht außerdem einen Aufbau, der die Überlage rung von äußeren Magnetfeldern weitgehend reduziert.

Die diversen Ausgestaltungen der Erfindung beziehen sich hauptsächlich auf die Anordnung des bzw. der Magneten. Dabei ist je nach Anwendungsfall und verfügbarem Bauraum die ent sprechend geeignete Variante auszuwählen.

Einige Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen darge stellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 die Ausgestaltung der Erfindung mit zwei gegenüberlie gend angeordneten Magneten,

Fig. 2 eine Variante mit zwei parallelen Magneten,

Fig. 3 den schematischen Aufbau eines Sensorelementes beste hend aus einer Brückenschaltung von 4 GMR-Sensoren,

Fig. 4 die relative Widerstandsänderung sowie den Verlauf der Spannung über dem Drehwinkel α,

Fig. 5 eine Variante zur Erhöhung der Sensitivität,

Fig. 6 Ausführungsvarianten mit nur einem Magneten,

Fig. 7 eine Ausführungsform mit feststehendem Magneten.

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt eine Po sitionsmeßvorrichtung mit einem magnetfeldrichtungssensitiven Sensorelement 1, zwei in Reihe angeordneten Magneten 2a und 2b, die auf einem Drehteil 3 befestigt sind. Durch die gegen überliegenden Gegenpole der Magnete ergibt sich in dem Zwi schenraum ein besonders homogenes Magnetfeld, das auf das Sen sorelement 1 einwirkt. Ein Versatz der Magneten in horizonta ler oder vertikaler Richtung oder auch senkrecht zur Zeichene bene hat dabei bei kleinen Auslenkungen keinerlei Einfluß auf die Richtung des Magnetfeldes. Genau die Richtung des Magnet feldes wird vom Sensorelement 1 ausgewertet und in Form eines entsprechenden Signals zur Verfügung gestellt. Derartige Sen sorelemente sind kommerziell erhältlich. Sie sind beispiels weise in Form von Brückenschaltungen sogenannter GMR-Sensoren (Giant Magnetic Resistance) fertig integriert verfügbar.

Wird nun das Drehteil 3 in seiner Ausrichtung um das Senso relement 1 verändert, so ändert sich der Winkel zwischen den magnetischen Feldlinien und dem Sensorelement. Dies ist in Fig. 1c und Fig. 1d verdeutlicht. Die magnetischen Feldlinien 5 sind im Bereich des Sensorelementes 1 jeweils in der Magne tisierungsrichtung des Magneten ausgerichtet und durchsetzen das Sensorelement 1 in besonders homogener Weise. Bei Verdre hung des Drehteils 3 gegenüber der Achse des Sensorelementes 1 durchsetzen die Magnetfeldlinien den Sensor in einem Winkel α bezogen auf die Orientierung des Sensorelementes 1. Somit än dert sich das Ausgangssignal des Sensorelementes entsprechend der Verdrehung α des Drehteils.

Fig. 1b zeigt eine Variante, bei der der Fluß durch ein ring förmiges Flußleitstück 4 geführt wird. Bei dieser Anordnung können zum einen Magnete mit geringeren Koerzitivfeldstärken eingesetzt werden, zum anderen ergibt sich hierdurch eine be sonders gute Störunempfindlichkeit gegenüber dem Einfluß äuße rer Felder.

In Fig. 2a ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform darge stellt, bei der zwei Magnete parallel zueinander angeordnet sind. Der sich einstellende Verlauf der magnetischen Feldlini en 5 ist in Fig. 2b gezeigt.

Auch hier wird der Verdrehwinkel α zwischen dem Drehteil 3 und dem Sensorelement 1 bestimmt. Dabei kann naturgemäß entweder das Drehteil 3 um das Sensorelement gedreht werden oder in an deren Anwendungsfällen das Sensorelement 1 um seine Achse (senkrecht zur Zeichnungsebene) gedreht werden. In beiden Fäl len ist eine absolute Winkelmessung möglich. Wenn beide Teile, also Sensorelement 1 und Drehteil 3 inklusive der Magneten 2 drehbar sind, kann mit der Anordnung der relative Winkel zu einander bestimmt werden.

Bei einer Anordnung nach Fig. 2 bietet sich besonders als Mon tagemöglichkeit das Einbetten der Magnete zum Beispiel durch Eingießen bzw. Umspritzen der Magnete mit Kunststoff oder an deren unmagnetischen Materialien an. Jedoch kann dies auch bei den anderen gezeigten Ausführungsformen vorteilhaft angewendet werden.

In Fig. 3 sind mögliche Verschaltungen der GMR-Sensoren 10 zu einem Sensorelement 1 gezeigt. Zunächst soll jedoch kurz der vorbekannte GMR-Effekt erläutert werden. Bei den GMR-Senso ren sind wechselweise dünne Kobalt- und Kupferschichten zwi schen Deckschichten aus Eisen angeordnet. Der sich ergebende elektrische Widerstand ist unabhängig von der Stromrichtung. Nur der Winkel zwischen den Magnetisierungsrichtungen der hart- und weichmagnetischen Schichten bestimmt den Gesamtwi derstand. Solange die Magnetisierung ausreicht, die weichma gnetischen Schichten entsprechend zu magnetisieren, anderer seits aber die hartmagnetischen Schichten noch nicht ummagne tisiert werden, hängt der Widerstand nur von der Richtung des äußeren Magnetfeldes ab. Hierzu sind Feldstärken von ca. 5 bis 15 kA/m erforderlich.

Die Änderung des magnetischen Widerstandes über dem Drehwinkel ist für einen kommerziell erhältlichen Sensor in Fig. 4a dar gestellt.

Bei einer Zusammenschaltung zu einer Brücke gemäß Fig. 3a, bei der 4 GMR-Sensoren 10a bis 10d in der jeweils durch den Pfeil angezeigten Magnetisierungsrichtung zusammengeschaltet sind, ergibt sich eine Ausgangsspannung vout in Abhängigkeit des Win kels α des äußeren Feldes gemäß Fig. 4b. Die Zusammenschaltung ergibt neben einer Erhöhung des gewünschten Spannungshubes auch eine Kompensation bezüglich Störgrößen, wie bei Brücken schaltungen üblich. Um zusätzlich eine Kompensation der Tempe raturabhängigkeit des GMR-Effektes zu realisieren, können entsprechende Maßnahmen bei der Stromeinspeisung vorgenommen werden. Hierzu finden sich in den Applikationsschriften der Hersteller nähere Hinweise.

Eine alternative Anordnung der Sensoren ist in Fig. 3b darge stellt. Aufgrund des jeweiligen Winkelversatzes der Sensoren 10e und 10f gegenüber den Sensoren 10a und 10b ergibt sich ein um 90° phasenverschobener Ausgangsspannungsverlauf der jewei ligen Halbbrückenspannungen v₁ und v₂ wie in Fig. 4c darge stellt. Dies kann zur eindeutigen Zuordnung eines bestimmten Winkels zu den Ausgangssignalen über den vollen Bereich von 360° genutzt werden.

Soll hingegen nur ein relativ kleiner Winkelbereich genutzt werden, so kann eine Verschaltung von 8 Sensoren gemäß Fig. 5a erfolgen. Das Ausgangssignal der ersten Brückenschaltung 1a wird nach Aufbereitung durch einen Differenzverstärker 11 ei ner zweiten Brücke 1b zugeführt. An deren Ausgang steht nun ein Spannungssignal v_out zur Verfügung, das aufgrund des dop pelten Durchlaufens einer Brückenanordnung einen bezüglich ei ner Einzelbrücke quadrierten Verlauf aufweist. Während das Ausgangssignal bei einer Brücke inetwa sinusförmig ist, ent spricht das Ausgangssignal v_out der Gesamtschaltung mit zwei derart kaskadierten Vollbrücken eher einem quadrierten Si nussignal, das gemäß mathematischem Additionstheorem auch als Sinusfunktion doppelter Frequenz aufgefaßt werden kann. Somit erklärt sich auch der sich gemäß Fig. 5b ergebende Ausgangs spannungsverlauf. Im Bereich von 90° überstreicht das Signal bereits den gesamten Signalhub, so daß sich hierdurch ein ge genüber einem Einzelsensor weiter vergrößerter Effekt ergibt.

Die Sensoren können jeweils alle auf einem Chip untergebracht werden, so daß die einzelnen Brückenbestandteile sich sehr ge nau gleichen, sowohl in ihren magnetischen und elektrischen Eigenschaften, ihrem Temperaturverhalten und auch in der Vor zugsrichtung. Hierdurch werden Vorteile hinsichtlich der Re produzierbarkeit und Genauigkeit erzielt.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Magnetanordnungen sind in Fig. 6a und 6b dargestellt. Hierbei wird lediglich ein einziger Magnet verwendet. Um dennoch einen möglichst homoge nen Fluß zu erzielen, wird ein Schließen des magnetischen Kreises über magnetisch leitfähige Flußleitstücke 4 und 4a be wirkt. Dabei reicht auch die Nutzung einer unsymmetrischen An ordnung gemäß Fig. 6b.

Durch den weitgehend geschlossenen Weg des magnetischen Flus ses ergibt sich eine geringe Störempfindlichkeit gegen äußere Felder. In kritischen Fällen kann durch zusätzliche magneti sche Abschirmungen, vorzugsweise aus Metallen mit hoher magne tischer Leitfähigkeit, die Störfestigkeit weiter verbessert werden. Naturgemäß gilt dies für alle Ausführungsformen, so wohl die hier beispielhaft gezeigten als auch alle anderen er findungsgemäßen Ausführungsformen, die aufgrund der Vielzahl der Möglichkeiten nicht dargestellt sind.

Fig. 7 zeigt ein Beispiel für eine Ausführungsform mit fest stehendem Magneten. Dabei werden die drehbaren Scheiben 6a und 6b zumindest teilweise aus magnetisch leitfähigem Material hergestellt und mit Flußleitstücken 7a und 7b versehen. Der Magnet 2 wird in diesem Fall nicht mitgedreht sondern kann vielmehr an seiner Position verbleiben. Durch die drehbaren Scheiben 6a und 6b sowie die Flußleitstücke 7a wird das Ma gnetfeld des Magneten an das feststehende Sensorelement 1 her angeführt. In dem linken Teil der Zeichnung ist aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich eine der Scheiben darge stellt. Die Scheibe 6a ist mit der Scheibe 6b über magnetisch nicht leitende oder zumindest schlecht leitende Mittel verbun den, die hier ebenfalls aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt sind.

Bei der in Fig. 7 gezeigten Anordnung kann besonders einfach anstelle eines Permanentmagneten ein Elektromagnet verwendet werden. Hierdurch ist es möglich, die Magnetisierungsrichtung umzukehren. Ein ansonsten ggf. vorhandener Hystereseffekt (Un terschied in der Zuordnung Spannung zu Winkel in entgegenge setzten Drehrichtungen) kann damit kompensiert werden. Zum ei nen wird das Sensorelement hierdurch mit einer jeweils um 180° versetzten Magnetisierung beaufschlagt und zum anderen können die Signale jeweils in beiden Richtungen ausgewertet werden und hierdurch die Genauigkeit verbessert werden.

Neben der Anwendung für Winkelermittlung bei Klappenstellungen etc. sind eine Vielzahl andere Anwendungsfälle denkbar. So kann beispielsweise in Umgebungen, in denen Fremdmagnetfelder nicht zu vermeiden sind, die beschriebene Positionserfassungs einrichtung hervorragend eingesetzt werden. Bei der Ermittlung von Winkelsstellungen bei Elektromotoren kann das Prinzip ver wendet werden sowohl um eine elektronische Kommutierung durch zuführen (beispielsweise bei den neuartigen "bürstenlosen Gleichstrommotoren") als auch zur Erfassung der Drehzahl und der Winkelstellung bei Servomotoren. Die Winkelstellung kann weiterhin ausgewertet werden um somit Wege zu erfassen, da mit Servomotoren häufig Linearverstellungen angetrieben werden und hierbei die Zuordnung von Winkelposition zu Weg bekannt ist.

Claims

1. Positionsmeßvorrichtung zur Erfassung absoluter und/oder relativer Winkel und/oder Wege, dadurch gekennzeichnet, daß ein magnetfeldrichtungsabhängiges Sensorelement durch ein Magnetfeld beaufschlagt wird, das durch mindestens ei nen exzentrisch angeordneten Magneten erzeugt wird.

2. Positionsmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das Sensorelement aus einem GMR-Sensor be steht.

3. Positionsmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das Sensorelement aus einer Brückenschaltung mehrerer GMR-Sensoren besteht.

4. Positionsmeßvorrichtung nach einem oder mehreren oben ge nannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Magne te in Reihe zueinander angeordnet sind.

5. Positionsmeßvorrichtung nach einem oder mehreren oben ge nannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Magne te parallel zueinander angeordnet sind.

6. Positionsmeßvorrichtung nach einem oder mehreren oben ge nannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Magnete in ein umgebendes Material eingebettet werden.

7. Positionsmeßvorrichtung nach einem oder mehreren oben ge nannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Brüc kenschaltungen kaskadiert werden.

8. Positionsmeßvorrichtung nach einem oder mehreren oben ge nannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Verwendung von Flußleitstücken der Weg des magnetischen Flusses weitgehend nur durch den Sensor, den Magneten und durch magnetisch leitfähiges Material führt.

9. Positionsmeßvorrichtung nach einem oder mehreren oben ge nannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche magnetische Abschirmungen angebracht werden.

10. Positionsmeßvorrichtung nach einem oder mehreren oben ge nannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet bzw. die Magnete nicht mit dem drehbaren Teil verbunden sind.

11. Positionsmeßvorrichtung nach einem oder mehreren oben ge nannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Magnet jeweils ein Elektromagnet Verwendung findet.

12. Positionsmeßvorrichtung nach einem oder mehreren oben ge nannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rich tung des Magnetfeldes in kurzen Zeitabständen umgekehrt wird.

13. Positionsmeßvorrichtung nach einem oder mehreren oben ge nannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein vorhan dener Hystereseeffekt durch die Umkehrung des Magnetfeldes und entsprechende Berücksichtigung bei der Auswertung ver mindert wird.